【摘 要】
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网络化控制系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维智能化复杂系统,通过计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作,从而实现大型工业系统的实时感知、动态控制和信息服务。然而,随着互联网的引入以及人机与物理过程的网络化交互,原有基础设施系统的封闭性被打破,使网络化控制系统面临着来自网络攻击的威胁。由于拒绝服务攻击(Deny-of-Service Attack)攻击成本较低,但是造成的负面影响非常大,因此
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网络化控制系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维智能化复杂系统,通过计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作,从而实现大型工业系统的实时感知、动态控制和信息服务。然而,随着互联网的引入以及人机与物理过程的网络化交互,原有基础设施系统的封闭性被打破,使网络化控制系统面临着来自网络攻击的威胁。由于拒绝服务攻击(Deny-of-Service Attack)攻击成本较低,但是造成的负面影响非常大,因此本文主要研究拒绝服务(DoS)攻击下网络化动态系统的安全控制问题。首先,对于集中式网络化控制系统,本文研究了其在DoS攻击下的稳定化控制以及保性能控制问题。在假设网络能承受的最大DoS攻击次数有界的情况下,将网络化控制系统建模成一类具有有限个子系统的切换控制系统。根据攻击强弱程度的不同,将其分为未受攻击、弱攻击、强攻击三类,进而基于平均驻留时间方法导出保证闭环系统指数稳定并具有保性能水平的充分条件,并通过求解一个凸优化问题得到相应的状态反馈控制器,最终建立了DoS攻击频率和系统性能之间的关系。进一步的,本文给出了网络化控制系统能容许被攻击的频率上界。其次,对于多智能体网络化控制系统,本文假设当发生DoS攻击时,所有通信拓扑将会失效,无攻击时,系统能保持原有的通信拓扑连接。此时,系统将呈现“切换”特性。另一方面,由于存在通信约束问题,传感器在保持时钟同步的模式下,采用非等间隔采样工作方式可以降低信息交互频率。从而本文通过切换系统方法建立了网络攻击模型,并用输入时滞系统方法来处理非均匀采样问题,从而将闭环控制系统建模为一个时滞切换系统,并设计了相应的分布式状态反馈控制器以及分布式静态输出反馈控制器来实现系统的一致性目标。进一步的,分析了采样周期,攻击频率与系统性能之间的内在关系,所提出的结果被应用于网联车辆的安全协同控制系统。最后,本文对存在事件驱动和DoS攻击的多智能体系统,提出了分布式安全协同控制方法。通过构造事件驱动函数,并结合切换系统方法,得到了可用于描述闭环系统特性的时滞切换系统模型,进而借助平均驻留时间分析方法,给出了闭环系统指数稳定的充分条件,进一步通过矩阵变换方法,将状态反馈控制器增益的求解转化为一组矩阵不等式的可行性问题。本文通过Matlab软件对一些实例进行了仿真研究,验证了所提出设计方法的有效性。最后,对全文进行了总结,并对进一步的研究提出了展望。
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